Research Collection Doctoral Thesis The role of dissolved organic matter in aquatic photochemical

204 Pages·2013·8.39 MB·English

ETH Library
The role of dissolved organic
matter in aquatic photochemical
oxidation processes
Doctoral Thesis
Author(s):
Wenk, Jannis Henrik
Publication date:
2012
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-007606674
Rights / license:
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Diss. ETH No. 20503

The role of dissolved organic matter in aquatic
photochemical oxidation processes

A dissertation submitted to
ETH ZÜRICH
for the degree
Doctor of Sciences

presented by
JANNIS HENRIK WENK
Dipl.-Ing. Technischer Umweltschutz
Technische Universität Berlin
born on April 27, 1978
citizen of Germany

accepted on the recommendation

Prof. Dr. Urs von Gunten, examiner
Dr. Silvio Canonica, co-examiner
Prof. Dr. Kristopher McNeill, co-examiner

Danksagung
Meine grosse Dankbarkeit gilt Silvio Canonica. Er war als ausgezeichneter Betreuer dieser Arbeit
wesentlich an ihrem Gelingen beteiligt. Gerade in der anfänglichen Zeit waren unsere langen
Gespräche sehr hilfreich, um mich mit dem Forschungsgebiet vertraut zu machen.
Zwischendurch stand Silvio immer wieder mit Rat und Tat jederzeit zur Seite, half entscheidend
beim Verfassen der Publikationen und lenkte so manches Mal die Experimente in die richtige
Richtung. Trotzdem genoss ich stets grossen Freiraum bei meinen Arbeiten und konnte alle
Entscheidungen selbst treffen. Ganz herzlich möchte ich mich bei Urs von Gunten bedanken, der
mich als zweiter Betreuer und Gruppenleiter während der Dissertation begleitet hat. Seine ruhige
und freiheitliche Art, die Gruppe zu leiten, Probleme anzugehen und seine Unterstützung, notfalls
auch vom anderen Ende der Welt, hat mir immer sehr geholfen. Viel Dank geht auch an Kris
McNeill, zum einen für die Übernahme des Koreferats, zum anderen für die ständige
wissenschaftliche Inspiration, die er und seine Gruppe seit ihrem Umzug von Minnesota an die
ETH auf mich ausgeübt haben. Vielen Dank an Janet Hering für den Vorsitz bei der Prüfung.

Bei Hans-Ueli Laubscher und Lisa Salhi möchte ich mich für die grossartige technische
Unterstützung im Labor bedanken. Ich danke ausserdem Claire Wedema und Ariane Eberhardt
für die Administration, Maria Huber, Gabriela Kälin, Stefica Dujmic und Olga Stojanovic vom
technischen Dienst, Daniel Pellanda von der EDV und allen Mitarbeitern des AUA-Labors sowie
der Lib4RI.
Den Bachelorstudenten Cornelia Graf, Greta Stieger, Jeremy Schälchli, Harris Héretier und
Alessandro Piazzoli ein grosses Dankschön für die experimentelle Hilfe, besonders während der
initialen Phasen vieler Untersuchungen.
i
Ein weiterer Dank an Cornelia Graf, dafür dass sie auch während ihrer Masterarbeit mit mir
zusammengearbeitet hat.
Michi Sander und Michi Aeschbacher von der ETH sind vor allem während des zweiten Teils
meiner Dissertation zu wichtigen Partnern geworden. Sie haben viel zur Ausweitung der
Untersuchungen beigetragen.
Dank an einige weitere Mitglieder der McNeill-Gruppe: Charlie Sharpless (Gastprofessor von der
University of Mary Washington in Virginia), Sören Eustis, Christy Remucal, Sarah Kliegman,
Lilli Janssen, Jeanne Tomaszewski, Rachel Lundeen, Elena Appiani, Rebekka Baumgartner,
Marco Ratti, Paul Erickson, Britt Peterson, Sarah Page und Laura Klüpfel.

Bei Petr Klán, Dominic Heger und Ľubica Hroudná vom Labor für organische Photochemie der
Masaryk Universität von Brno in Tschechien möchte ich für die herzliche Gastfreundschaft
während meines kurzen Forschungsaufenthaltes bedanken.

Sebastian Huntscha von der Abteilung Umweltchemie und allen Studenten für die gute
Zusammenarbeit im Praktikum aquatische Systeme.
Natürlich auch vielen Dank allen derzeitigen und ehemaligen Mitarbeitern, sowie den vielen
internationalen Gäste der „von Gunten-Gruppen“ in Dübendorf und Lausanne und meinen
weiteren Freunden und Kollegen von der Eawag. Zunächst ein grosser Dank an meine Labor- und
Bürokollegin Sabrina Bahnmüller für die gute Zusammenarbeit, die täglichen Kaffeepausen, die
gemeinsamen Abende mit Bier und Wein, und die interessanten und lustigen Gespräche über
Yoga, Reisen und Beziehungen. Alles Gute für einen erfolgreichen Abschluss Deiner Diss. Dank
an Ioannis Katsoyiannis, Jakob Helbling, Andi Peter, Mike Dodd, Anh Trung Kieu, Sébastien
Allard, Mathias Wittenwiler, Minju Lee, Hana Mestankova, Barbara Sanchez, Yunho Lee,
ii
Carolina Garcia, Paul Borer, Saskia Zimmermann, Melissa Huguet, Clara Loi, Kangmin Chon,
Austa Parker, Angel Bogeat, Justine Criquet, Fabian Soltermann, Mathias Rudolf von Rohr,
David Sedlak, Carl Linden, Jennifer Guerard, Sam Arey, Jae-Hong Kim, Jaqueline Traber,
Marie-Jeanne Weyrich, Michèle Heeb, Stephan Huxol, Tobias Voigt, Samuel Diem.
Ein weiteres Dankschön an ein paar Menschen, die mich bereits vor meiner Doktorarbeit
wesentlich beeinflusst und unterstützt haben: Meinem Chemie-Lehrer von der neunten bis zur
dreizehnten Klasse Hans-Jürgen Nöding, Frank Weisbrod und allen Mitarbeiten der D-Schicht
der Chlorfabrik III (BASF), Doris Kirchner vom DIBt, Martin Jekel und die Gruppe der
Wasserreinhaltung TU Berlin, Martin Kaupenjohann und die Bodenchemie Gruppe der TU
Berlin, Martin Steiof, Yoon-Seok Chang und die gesamte Forschungsgruppe vom Scientific
Environmental Analysis Laboratory/POSTECH in Korea, Adrian Naef für die Bilder vom
Greifensee und so vieles mehr, sowie meinen Eltern.

Zu guter Letzt ein Dank dem Schweizer Nationalfond für seine finanzielle Unterstützung im
Rahmen der Beiträge: 200021-117911 „Aqueous oxidation of organic contaminants: Inhibition
by dissolved natural organic matter“ und 200020-134801”The role of dissolved organic matter
as an antioxidant in triplet-induced oxidation reactions”.

iii
Table of Contents
Danksagung i
Table of Contents iii
List of frequently used abbreviations vi
Summary viii
Zusammenfassung xiii

1 General Introduction 1
1.1 Sunlight - the color of the water – and dissolved organic matter (DOM) 2
1.2 Origin and structure of DOM and its role in environmental and technical processes 4
1.3 Short overview of environmental aquatic photochemistry 7
1.4 Basics of environmental aquatic photochemistry 8
1.5 Indirect photochemical processes in the environment 12
1.6 The dark side of DOM in photochemistry – Starting point for this work 15
1.7 Thesis outline 17
1.8 References 20

2 Effect of Dissolved Organic Matter on the Transformation of Contaminants
Induced by Excited Triplet States and the Hydroxyl Radical 33
2.1 Introduction 35
2.2 Experimental Section 37
2.3 Results and Discussion 39
2.4 References 55

Supporting Information for Chapter 2 59

iv
3 Phenolic antioxidants inhibit the triplet-induced transformation of anilines
and sulfonamide antibiotics in aqueous solution 79
3.1 Introduction 82
3.2 Experimental Section 87
3.3 Results and Discussion 89
3.4 References 101

Supporting Information for Chapter 3 105

4 Oxidative treatment of DOM containing aqueous solutions with ozone and
chlorine dioxide: Effect on optical and photochemical properties 125
4.1 Introduction 128
4.2 Experimental Section 131
4.3 Results and Discussion 134
4.4 References 148

Supporting Information for Chapter 4 155

5 General Conclusions 177

Curriculum vitae
v
List of frequently used abbreviations
•OH hydroxyl radical
1O singlet oxygen
2
2AN 2-acetonaphthone
3DOM* excited triplet state dissolved organic matter
3Sens* excited triplet state sensitizer
4CA 4-chloroaniline
4MP 4-methylphenol
ANI aniline
AO(s) antioxidant(s)
AOP(s) advanced oxidation process(es)
CBBP benzophenone-4-carboxylate
CDOM colored dissolved organic matter
ClO chlorine dioxide
2
DMA N,N-dimethylaniline
DOM dissolved organic matter
EDC electron donating capacity
GSW Lake Greifensee water
HPLC high-performance liquid chromatography
IE inhibition efficiency (=1-IF)
IF inhibition factor
IHSS International Humic Substances Society
NAFA Nordic aquatic fulvic acid
NHE normal hydrogen electrode
NMA N-methylaniline
O • superoxide radical
2
O ozone
3
P contaminant/pollutant
pCBA para-chlorobenzoic acid
PLFA Pony Lake fulvic acid
vi
P contaminant oxidation product
Ox
ROS reactive oxygen species
RS reactive species
SCPD sulfachloropyridazine
SD sulfadiazine
Sens photosensitizer
SMX sulfamethoxazole
SRFA Suwannee River fulvic acid
SRHA Suwannee River humic acid
STZ sulfathiazole
SUVA specific UV absorbance at 254nm
254
tBuOH tertiary butanol
TC target compound
TMP 2,4,6-trimethylphenol
TRI trimethoprim
UV ultraviolet (light)
Vis visible (light)
WWTP wastewater treatment plant
vii